自動檢測技術(shù)與裝置

1、測量范圍和量程每臺檢測儀表都有一個測量范圍，儀表工作在這個范圍內(nèi)，可以保證儀表不 會被損壞，而且儀表輸出值的準確度能符合所規(guī)定的值。這個范圍的最小值和最 大值分別稱為測量下限和測量上限。測量上限和測量下限的代數(shù)差 稱為儀表的量程即量程=測量上限值-測量下限值靈敏度 靈敏度S是檢測儀表對被測量變化的靈敏程度，常以在被測量改變時，經(jīng)過足夠時間檢測儀表輸出值達到穩(wěn)定狀態(tài)后，儀表輸出變化量與引起此變化的輸人變化量之比表示，即S=yx回差也稱變差，是指檢測儀表對于N被測量在其上升和下降時對應(yīng) 輸出值間的最大誤差，如圖1.5所示。由于特性曲線像環(huán)狀一樣，回差有時也稱 “滯環(huán)?；夭畹拇嬖谑沟脵z測儀表在同一被

2、測量時有不止一個的輸出值，從而出 現(xiàn)誤差。絕對誤差是儀表輸出值與被測參數(shù)真值之間的差值x相對誤差：儀表的絕對誤差與約定真值比的百分數(shù)引用誤差：儀表的絕對誤差與儀表的量程比的百分數(shù)儀表的 準確度通常是用儀表滿刻度相對誤差的大小來衡量。準確度常常也稱精度或精確度。按照國家有關(guān)標準的規(guī)定，儀表的準確度劃分為若干等級.稱準確度等 級國家統(tǒng)一規(guī)定所劃分的等級有0.05, 0.1, 0.25, 0.35, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 4.0,。儀表的準確度等級按以下方法確定，辭先用儀表滿刻度相 對誤差略去其百分號（)作為儀表的準確度*再根據(jù)國家統(tǒng)一劃分的準確度等級.例一：有一臺壓力儀表，其量程

3、為100kpa，經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)儀表的基本誤差為0.6kpa，問這臺壓力儀表的準確度為多少？準確度等級為多少？解：由題意可以算出儀表的滿刻度相對誤差為0.6%，略去其百分號，則該壓力儀表的準確度為準確度等級0.5，而小于1.0，所以該儀表的準確度等級為1.0級。例二：擬對某壓力容器的壓力進行測量，正常壓力在150kpa左右，要求壓力測量誤差不大于4.5kpa，問應(yīng)選擇什么樣的壓力檢測儀表才能滿足測量要求？解：由題意，選擇的壓力儀表的基本誤差應(yīng)小于4.5kpa才能滿足測量要求，另一方面，壓力檢測儀表的量程一般應(yīng)比正常壓力大30%以上，可選擇壓力儀表的量程為250kpa，則儀表滿刻度相對誤差應(yīng)小于4.5

4、/250=1.8%，從而選擇的壓力儀表的準確度等級應(yīng)為1.5級。測量誤差的分類與測量不確定度按誤差本身因次分類 絕對誤差和相對誤差按誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類 系統(tǒng)誤差、隨機誤差、粗大誤差。按使用的工作條件分類 基本誤差和附加誤差按誤差的特性分類 靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。測量不確定度的定義是對測量結(jié)果分散性的描述，是對測量結(jié)果誤差限的估計。測量不確定度是有一些不確定度分量組成的：1.A類不確定度：有測量列按統(tǒng)計理論計算得到的是可測得，2.B類不確定度：由非統(tǒng)計分析方法，即由其他方法估計的這類不確定度的估計主要用于不能通過多次重復(fù)性測量，由測量列確定不確定度的情況。所用的方法主要有以前的測量數(shù)據(jù)、有關(guān)的技術(shù)

5、資料和數(shù)據(jù)等。測量不確定度與測量誤差沒有必然的聯(lián)系。電容元件的結(jié)構(gòu)和特性1. 變極距式電容器：某個被測量變化時，會引起動極板的位移，從而改變極板間的距離，導(dǎo)致電容量的變化。2. 變面積式電容器：當可動極板在被測量的作用下發(fā)生移位，使兩極板相對有效面積改變，則會導(dǎo)致電容器的電容量的變化。3. 變介電常數(shù)是電容器：當兩極板間介電常數(shù)變化，由此引起的電容量改變。熱電偶檢測元件將兩種不同的導(dǎo)體A B連成閉合回路，將他們的兩個節(jié)點分別置于溫度為T及T0（設(shè)T>T0）的熱源中，則在該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢。這種現(xiàn)象稱之為熱電效應(yīng)。將兩種材料的導(dǎo)體組合稱為熱電偶。導(dǎo)體A和B稱為熱電極。溫度高的接點T稱

6、為熱端（工作端），溫度低的T0稱為冷端（自由端）。熱電偶回路中所產(chǎn)生的電動勢由兩部分組成：其一是不同材料的兩種導(dǎo)體之間的接觸電勢；其二是單一導(dǎo)體兩端溫度不同而形成的溫差電勢。熱電動勢的大小只與熱電極材料及兩端溫度有關(guān)，與熱電極的幾何尺寸無關(guān)。熱電偶必須由兩種材料不同的兩個電極構(gòu)成。熱電極材料確定之后，熱電勢的大小只與T，T0有關(guān)，若保持T0一定，則熱電偶回路總熱電時就可以看成是溫度T的單值函數(shù)。這就是用熱電偶測溫的基本原理。熱電偶的基本定律（1） 均質(zhì)導(dǎo)體定律有一種均質(zhì)導(dǎo)體的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積，長度以及溫度分布如何，均不產(chǎn)生熱電動勢。（2） 中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種材料的

7、導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。（3）中間溫度定律 Eab(T,T0)= Eab(T,Tc)+ Eab(Tc,T0)用鎳鉻鎳硅熱電偶測爐溫。當冷端溫度T0=30度時，測得熱電勢為E（T,T0）=39.17mv，若被測溫度不變，而冷端溫度為-20度，則該熱電偶測得的熱電勢為多少已知該熱電偶有E(30.0)=1.2mv，E(-20.0)=-0.77mv？根據(jù)中間溫度定律Eab(T,T0)= Eab(T,Tc)+ Eab(Tc,T0)其中T0=-20,Tc=30；所以：Eab(Tc,T0)= Eab(Tc,0)- Eab(T0，0)=1.2-（-0.77）=

8、1.97 Eab(T,T0)=39.17+1.97=41.14 mv得到冷端溫度為-20度時，測得的熱電勢應(yīng)為41.14mv。所以用熱電偶測量溫度時必須考慮冷端的溫度，否則會引起誤差。(1)壓電效應(yīng)某些材料在沿一定方向受外力作用時，不僅幾何尺寸變化而發(fā)生變形，而且材料內(nèi)部電荷分布發(fā)生變化，從而使得在其定的兩個相時表面上產(chǎn)生得號相反、當外力去掉后，它們又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。所受的作用力越大，則機械變形越大，所產(chǎn)生的電荷量越多。壓電效應(yīng)是可逆的。光電效應(yīng)是指光照射到物質(zhì)上引起其電特性(電子發(fā)射、電導(dǎo)率、電位、電配等)發(fā)生變化的現(xiàn)象。分為外光電效應(yīng)和內(nèi)無電效應(yīng)。()外光電效應(yīng)在

9、光線作用下.使其內(nèi)部電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管。（2）內(nèi)光電效應(yīng)物體在光線作用下，其內(nèi)部的原子釋放電子，但這些電子并不溢出物體表面，而仍然留在內(nèi)部，從而導(dǎo)致物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。使電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于該效應(yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、光敏三極管等。(2) 光敏電阻的主要參數(shù)及基本特性主要參數(shù)暗電阻和暗電流。所謂暗電阻是指在無光照時所測的電阻值。這時在給定工作電壓下流過光敏電阻的電流稱為暗電流。亮電阻與亮電流。

10、在受光照時，光敏電阻的阻值稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。光敏電阻的基本特性包括光照特性、伏安特性、光譜特性、溫度特性。檢測儀表的組成：圖3.1示出了檢測儀表或檢測系統(tǒng)一般組成形式，主要有敏感元件、信號變換、處理傳輸、數(shù)據(jù)存儲以及顯示裝置等功能模塊。需要指出的是：同種檢測儀表（指敏感元件相同），由于使用要求和條件的不同，在組成測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式上也不完全相同。檢測儀表的設(shè)計方法按結(jié)構(gòu)形式來劃分主要有直接串聯(lián)式（直接變換式）、差動式、參比式和平衡（反饋）式為四種方法。直接串聯(lián)式（直接變換式）、差動式、參比式等屬開環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計法，而平衡（反饋）式屬于閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計法。四種儀表設(shè)計方法都有優(yōu)缺點。溫度

11、檢測儀表在根據(jù)敏感元件與被測介質(zhì)接觸與否，可以分成接觸式和非接觸式兩大類。接觸式檢測儀表主要包括基于物體受熱體積膨脹或長度伸縮性質(zhì)的膨脹式溫度檢測儀表( 如 玻璃管水銀溫度計、雙金屬溫度計) ，基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的熱電阻溫度檢測儀表，基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測儀表等。非接觸式檢測儀表是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系，對物體的溫度進行檢測，主要有亮度法、全輻射法和比色法。熱電偶溫度計3.3 S型熱電偶在工作室自由端溫度t0=30度，現(xiàn)測得熱電偶的電勢為7.5mv，求被測介質(zhì)實際溫度？解：由題意熱電偶測得的電勢為E(t,30)，即E(t,30)=7.5mv，其中t為被測介

12、質(zhì)溫度，由分度表可查到E(30,0)=0.173mv，則E(t,0)=E(t,30)+E(30,0)=7.5+0.173=7.673mv在由分度表中查出與其對應(yīng)的實際溫度為830度。熱電偶自由端溫度的處理（1） 補償導(dǎo)線法在使用補償導(dǎo)線時必須注意以下問題。 補償導(dǎo)線只能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)( 一般為O 100度) 與熱電偶的熱電勢相等或相近。 不同型號的熱電偶有不同的補償導(dǎo)線。 熱電偶和補償導(dǎo)線的兩個接點處要保持同溫度。 補償導(dǎo)線有正、負極，需分別與熱電偶的正、負極相連。G 補償導(dǎo)線的作用只是延伸熱電偶的自由端，當自由端溫度t0不等于0 時，還需進行其他補償與修正。（2） 計算修正法（3） 自由

13、端恒溫法（4） 自動補償法 目前主要采用補償電橋利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因自由端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。金屬熱電阻的分度號與分度表金屬熱電阻的檢測儀表主要有鉑電阻溫度計和銅電阻溫度計，鉑電阻和銅電阻的電阻值都是隨溫度的升高而增大。由于熱電阻在溫度t時的電阻值與R0有關(guān)，所以對R0的允許誤差有嚴格的要求。另外R0的大小也有相應(yīng)的規(guī)定。R0愈大，則電阻體體積增大，不僅需要較多的材料，而且使測量的時間常數(shù)增大，同時電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量也增加，但引線電阻及其變化的影響變小。反之亦然。因此，需要綜合考慮選用合適的R0，目前，我國規(guī)定工業(yè)用鉑電阻溫度計有R0=10歐和100歐，其分

14、度號分別為Pt10和Pt100.銅電阻溫度計也有R0=50歐和100歐兩種，分度號分別為Cu50和Cu100。類似于熱電偶的分度表，用表格形式給出在不同溫度下各種熱電阻分度號的電阻值稱為熱電阻的分度表。銅電阻的特性比較接近直線，而鉑電阻的特性呈現(xiàn)一定的非線性，溫度越高，電阻的變化率越小。為了減小引線電阻的影響，引線采用三線制接法，如圖3.52所示，其中兩根引線來自熱電阻的一個引出端，另一根引線接至熱電阻的另一個引出端。三根引線分別接到變送器或顯示器儀表輸入電路的電橋的電源和兩個橋臂。由于引線分別接在電橋的兩個橋臂上，受到溫度或長度的變化引起引線電阻的變化將同時影響兩個橋臂的電阻，但對電橋的輸出

15、影響不大，從而較好地消除了引線電阻的影響，提高測量的準確度。所以工業(yè)上多采用三線制接法。溫度檢測儀表的使用在大大多數(shù)場合采用的是接觸式溫度儀表，由于價格較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜和低溫段溫度測量性能無優(yōu)勢等因素，全輻射高溫計，光電溫度計，比色溫度計和紅外溫度計等輻射式非接觸式溫度計測量儀表主要用于實際生產(chǎn)過程中接觸式溫度測量儀表不能勝任的測量場合?；跓犭娕己徒饘贌犭娮璧臏囟葴y量儀表，用于集中顯示，記錄和過程控制，是目前應(yīng)用最為廣泛的主流工業(yè)溫度檢測儀表。熱電阻（尤其是鉑電阻）由于精度高和性能穩(wěn)定，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中常作為標準來使用。工業(yè)玻璃管溫度計、壓力式溫度計和雙金屬溫度計由于具有結(jié)構(gòu)堅固、耐震和價

16、格低廉現(xiàn)場就地顯示應(yīng)用尤其廣泛。半導(dǎo)體熱敏電阻和集成溫度傳感器由于價格低，使用方便，在各種非工業(yè)生產(chǎn)過程領(lǐng)域使用較為廣泛。接觸式溫度檢測儀表在實際使用時注意：1. 正確選擇測溫位置2. 同等條件下盡可能縮小溫度敏感元件和保護套管的體積3. 準確地安裝以保證被測介質(zhì)與敏感元件間充分的熱交換為解決工業(yè)現(xiàn)場的溫度檢測和控制問題一體型溫度變送器和智能溫度變送器得到了十分廣泛的使用。一體型溫度變送器是將測溫元件（例如熱電阻或熱電偶）和變送器模塊集成為一個整體，并輸出反應(yīng)溫度測量信息的統(tǒng)一標準信號（一般為420mA的標準直流電流信號）。由于測溫元件和變送器模塊為一個整體，一體型溫度變送器可以直接安裝在被測

17、溫度的工藝設(shè)備上，具有體積小、重量輕、現(xiàn)場安裝方便、節(jié)省安裝費以及抗干擾能力強便于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點智能型溫度變送器可作為單純的溫度變送模塊使用也可集成測溫元件以構(gòu)成一體型的溫度檢測儀表。優(yōu)點:1. 適用性和通用性強。2. 具有各種補償功能。3. 標準信號輸出和通信。4. 操作使用方便靈活具有自診斷功能。5. 可實現(xiàn)簡單的現(xiàn)場就地控制。液體壓力計是以流體靜力學(xué)原理為基礎(chǔ)的。壓力計一般由U型玻璃管或單管構(gòu)成，管內(nèi)用已知密度的水銀或水為工作液。常用于低壓，負壓或差壓的檢測。斜管式液體壓力計DDZ-III型差壓變送器的結(jié)構(gòu)原理圖：壓力檢測儀表的使用：注意：壓力儀表的選用；取壓點及引壓管路的設(shè)計一般在被

18、測壓力較穩(wěn)定的情況下，最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的3/4，在被測壓力波動較大或側(cè)脈動壓力時，最大工作壓力不應(yīng)超過儀表滿量程的2/3，為了保證測量準確度最小工作壓力不應(yīng)低于滿量程的1/3，選擇儀表流程時應(yīng)首先要滿足最大工作壓力條件。物位檢測儀表：常用的物位檢測方法1. 靜壓式物位計2. 浮力式物位計3. 聲學(xué)式物位計4. 射線式物位計5. 微波物位計6. 電氣式物位計他們可以歸納為以下幾個檢測原理1. 基于力學(xué)原理2. 基于相對變化原理3. 基于某強度性物理量隨物位的升高而增加原理靜壓式液位計檢測原理基于液位高度變化時，由液柱產(chǎn)生的靜壓也隨之變化的原理。量程遷移例如采用法蘭式差壓變送器時，由于從膜盒至變送器的毛細管中充以硅油，無論差壓變送器安裝在什么高度，一般均會產(chǎn)生附加靜壓。因此，在這些情況下，需要采用相應(yīng)的校正措施，工程中最常用的對壓力（差壓）變送器進行零點調(diào)整，使它在只受附加靜壓（靜壓差）時輸出為“零”，這種方法稱為“量程遷移。量程遷移有無遷移、負遷移、正遷移三種情況，正負遷移的實質(zhì)是調(diào)整差壓變送器的零點，作用是同時改變測量范圍的上下限，而